軌道交通車門控制器LCD 的設(shè)計(jì)

周 洲，楊 帆

（南京康尼電子科技有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高鐵、動(dòng)車、地鐵等新型交通工具已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，然而車輛門的頻繁開關(guān)，卻也導(dǎo)致車門控制器（以下簡稱門控器）故障率較高，這就要求門控器能夠通過顯示裝置直觀而準(zhǔn)確地反映其狀態(tài)信息和故障信息。但是現(xiàn)有的門控器大多是采用發(fā)光二極加管數(shù)碼管的組合方式顯示故障代碼和狀態(tài)信息，顯示方式較簡單，內(nèi)容較少，不夠直觀，不利于現(xiàn)場維護(hù)人員對(duì)門控器進(jìn)行維護(hù)和故障診斷。文章提出了一種使用LCD（Liquid Crystal Display）顯示替代數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示的設(shè)計(jì)方案，LCD 具有功耗低、體積小、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯示數(shù)字、符號(hào)、漢字、圖像等豐富的內(nèi)容，準(zhǔn)確直觀地展示門控器內(nèi)部信息和故障信息，提高維護(hù)效率，加快故障處理速度。但是門控器在軌道交通列車上的工作環(huán)境多變且較為嚴(yán)酷，電氣環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，LCD 的應(yīng)用存在較多難點(diǎn)。文章在討論LCD 顯示設(shè)計(jì)的同時(shí)，也致力于解決這些應(yīng)用難題，使得LCD 在軌道交通行業(yè)具備良好的實(shí)用性。

2 LCD 類型介紹及對(duì)比

LCD 顯示器是利用液晶在不同電壓的作用下會(huì)呈現(xiàn)不同的光的特性，通過改變驅(qū)動(dòng)液晶的電壓值，就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，同時(shí)能夠在液晶面板上變化出不同深淺的顏色組合。LCD 具有功耗低、體積小、重量輕、厚度薄、無輻射、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

目前市場上主要有STN-LCD 和TFT-LCD，其特點(diǎn)對(duì)比如表1 所示。

表1 LCD 類型對(duì)比

根據(jù)表1 的對(duì)比結(jié)果，雖然STN-LCD 只能顯示簡單的色彩和圖像，但門控器上的LCD 也不需要太高的顯示品質(zhì)，選用STN-LCD 較為合適。從成本角度考慮，STN-LCD 成本較低，大多數(shù)公司為了降低成本，仍然將STN-LCD 納入主要的考慮當(dāng)中。從研發(fā)周期角度考慮，選用STN-LCD 則不需要升級(jí)CPU，現(xiàn)有CPU 即可滿足需求。因此，本設(shè)計(jì)采用STN-LCD。

3 LCD 在軌道交通行業(yè)應(yīng)用難點(diǎn)及解決方案

3.1 環(huán)境適應(yīng)性

門控器廣泛應(yīng)用于海內(nèi)外地鐵、高鐵、動(dòng)車上，面臨著全球各種嚴(yán)酷多變的氣候條件，軌道交通EN50155 標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)門控器的防護(hù)能力提出了明確的要求和試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，高低溫、濕氣、鹽霧、振動(dòng)以及包裝運(yùn)輸過程中的碰撞，均對(duì)安裝在門控器上的LCD的可靠性提出了很高的要求。

首先，需要選擇能夠滿足門控器工作溫度范圍的LCD。門控器的工作溫寬范圍一般為-25～+70 ℃，而常規(guī)的LCD 工作溫度范圍一般是-10～+70 ℃，因此需要選擇超寬溫度范圍的LCD 以滿足門控器工作條件且留有裕量，最終選擇溫寬范圍為-30～+85 ℃的LCD。

其次，需要提升LCD 的防護(hù)能力，為此對(duì)LCD的結(jié)構(gòu)做針對(duì)性設(shè)計(jì)。在顯示屏外面加外框、面膜，以及在周圍用密封圈塞緊的方式，來提高LCD 對(duì)鹽霧、濕氣以及運(yùn)輸過程中的撞擊的防護(hù)能力。通過卡扣和螺釘先將LCD 與外框固定，再通過邊角的四個(gè)螺釘與門控器外殼固定，以提高LCD 的抗振動(dòng)能力。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 LCD 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 電磁兼容性

列車上電氣設(shè)備很多，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，這對(duì)LCD 的電磁兼容能力提出了很大的挑戰(zhàn)。LCD 對(duì)其他設(shè)備的干擾微乎其微，但其本身并不具備抗干擾能力。因此，分別從電路、PCB 和整體結(jié)構(gòu)三方面對(duì)LCD 進(jìn)行EMC 設(shè)計(jì)，以通過軌道交通行業(yè)的EMC試驗(yàn)。

電路設(shè)計(jì)時(shí)，在LCD 和DSP 之間的通訊信號(hào)上增加RC 濾波電路，濾除噪聲干擾。

PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，將LCD 部分的電路模塊通過分隔線隔離開來，避免受到其他模塊的干擾。同時(shí)，PCB采用六層板設(shè)計(jì)，將LCD 的通訊信號(hào)在中間層走線，能夠有效屏蔽掉電磁干擾。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在LCD 屏外增加金屬框架和ITO導(dǎo)電玻璃，這樣相當(dāng)于給LCD 罩上了一層接地屏蔽罩，屏蔽效果良好。

3.3 LCD 的顯示壽命

軌道交通產(chǎn)品的工作壽命普遍要求達(dá)到15～30年，而LCD 的顯示壽命僅50 000 小時(shí)，如果長時(shí)間點(diǎn)亮，則僅能工作7 年，不滿足壽命要求，而且頻繁更換LCD 也會(huì)導(dǎo)致維護(hù)成本大大增加，有違降低維護(hù)成本的初衷。因此，文章設(shè)計(jì)了一種LCD 電源控制電路，能夠通過軟件控制LCD 點(diǎn)亮或熄滅，從而延長其使用壽命。

本設(shè)計(jì)使用TPS709 電源芯片，該芯片具備輸出電源控制功能，通過檢測CS 引腳的輸入電平，控制電源的輸出，降低LCD 的點(diǎn)亮?xí)r間，提高使用壽命。電路示意圖如圖2 所示。

圖2 電源控制隔離框圖

4 LCD 顯示原理設(shè)計(jì)

4.1 LCD 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)門控器與LCD 的通信和LCD的正常顯示，將LCD 安裝在門控器的外殼上，LCD通過FPC 排線和FPC 插座與門控器主板連接。門控器的主控芯片DSP 控制LCD 顯示，電源模塊給LCD提供3.3V 直流電源，實(shí)現(xiàn)集成LCD 顯示的門控器的設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 硬件系統(tǒng)架構(gòu)框圖

4.2 LCD 軟件設(shè)計(jì)

LCD 顯示軟件主要由底層顯示模塊、初始化模塊、版本顯示模塊、輸入輸出口顯示模塊、故障信息顯示模塊、顯示頁面控制模塊這六部分構(gòu)成。LCD 顯示軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 LCD 顯示軟件結(jié)構(gòu)圖

門控器上電后會(huì)通過LCD 初始化模塊配置LCD刷新方式、灰度、顯示方式等參數(shù)，然后進(jìn)入顯示界面控制模塊。軟件首先進(jìn)入版本顯示模塊和輸入輸出口顯示模塊，隨后進(jìn)入故障代碼顯示模塊，判斷門控器是否存在故障并對(duì)故障信息進(jìn)行顯示。若無故障則回到版本顯示模塊重新顯示，若有故障則回到輸入輸出口顯示模塊循環(huán)顯示。

根據(jù)LCD 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，LCD 寫時(shí)序圖如圖5 所示：

圖5 LCD 寫時(shí)序圖

CSB 是片選信號(hào)，當(dāng)CSB=“L”時(shí)LCD 可進(jìn)行通訊；當(dāng)CSB=“H”時(shí)LCD 不通訊。

A0 是選擇信號(hào)，當(dāng)A0=“L”時(shí)數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為指令；當(dāng)A0=“H”時(shí)數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為顯示數(shù)據(jù)。

SCL 的上升沿讀取SDA 數(shù)據(jù)位，每8 個(gè)SCL 后，8 個(gè)串行數(shù)據(jù)組合成一個(gè)8 位的并行數(shù)據(jù)。

門控器沒有故障時(shí)，LCD 將會(huì)循環(huán)顯示版本信息和狀態(tài)信息，定時(shí)刷新顯示界面。門控器出現(xiàn)故障時(shí)，LCD 將會(huì)循環(huán)顯示狀態(tài)信息和故障信息，定時(shí)刷新顯示界面，直到故障全部消失為止。

5 門控器LCD 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)門控器上電時(shí)，LCD 顯示軟、硬件版本號(hào)，同時(shí)，LCD 顯示輸入輸出口狀態(tài)、ERROR 狀態(tài)指示、O/C 狀態(tài)指示（電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)）、5V 電源狀態(tài)指示。如圖6 所示。

圖6 LCD 版本號(hào)及輸入輸出狀態(tài)顯示界面

當(dāng)門控器出現(xiàn)故障時(shí)，LCD 顯示所有的故障代碼及故障名稱，如圖7 所示。

圖7 LCD 故障顯示界面

LCD 顯示相較于數(shù)碼管和LED 的顯示方式更加直觀，維保人員能夠看到更多的內(nèi)容，獲取到更多門控器的狀態(tài)信息，有利于提高維護(hù)效率。通過文字顯示門控器當(dāng)前故障名稱，免去維保人員根據(jù)故障代碼查詢故障內(nèi)容的步驟，節(jié)省維保時(shí)間。

6 結(jié)論

文章介紹了在門控器上集成LCD 顯示的設(shè)計(jì)，闡述了LCD 顯示的優(yōu)越性，詳細(xì)分析了LCD 在軌道交通門控器上應(yīng)用的難點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的解決方案，通過這樣的設(shè)計(jì)，LCD 顯示效果較好，工作穩(wěn)定可靠，在軌道交通門控器上具有良好的實(shí)用性。